| 【発明の名称】 |
電動車両の電力制御方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】斎藤 幹夫
【氏名】塩澤 総一
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| 【要約】 |
【課題】ハイブリッド電動車両における燃料電池の燃料の無駄を抑えて効率よく燃料電池を駆動する電力制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池および二次電池を電源とする電動車両の電力制御方法において、前記燃料電池のセル温度が所定温度より低いときに、該燃料電池の出力をその最大出力より低くする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】燃料電池および二次電池を電源とする電動車両の電力制御方法において、前記燃料電池のセル温度が所定温度より低いときに、該燃料電池の出力をその最大出力より低くすることを特徴とする電動車両の電力制御方法。
【請求項２】前記燃料電池の発電用空気ポンプを駆動制御することにより該燃料電池の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の電力制御方法。
【請求項３】前記燃料電池の出力側に設けたＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御することにより該燃料電池の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の電力制御方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電動車両の電力制御方法に関し、特に、燃料電池と二次電池とを組合せたハイブリッド電源からなる電動車両の電力制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】車両駆動用モータの電源として燃料電池を用いた電動車両において、燃料電池の電力を補うとともに要求負荷への応答性を高めるために、車両に燃料電池とともに二次電池を搭載し、これら２つの電源を用いてモータを駆動するハイブリッド電動車両が開発されている。このように二次電池を併用することにより、車両に搭載する燃料電池の重量や容積を軽減し且つ大電力が必要な場合に対処するとともに燃料電池の応答性をカバーすることができる。
【０００３】このようなハイブリッド電動車両において、モータからの要求負荷に応じて、燃料電池と二次電池からの電力供給配分を変えて負荷や電池容量等に対応した最適な分担割合でモータを駆動することが考えられている。例えば、図９（Ａ）に示すように、変動する要求負荷ａに対し、燃料電池（ＦＣ）の最大電力を超えるピーク負荷時にはその超える分を二次電池からの放電で補い、燃料電池の最大電力以下のときにはその剰余電力で二次電池を充電する。また、同図（Ｂ）に示すように、要求負荷ａが常に燃料電池の最大電力を超えているときには二次電池を充電することなく常に燃料電池と二次電池からの放電によりモータに電力を供給する。また、同図（Ｃ）に示すように、要求負荷が常に燃料電池の最大電力より小さいときには燃料電池のみでモータを駆動しつつ剰余電力で二次電池を充電する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような電動車両において、スペース等の点から燃料電池容量に大きな余裕を持たせることができないため、通常燃料電池は常に最大出力付近で運転される。したがって、起動直後から大きな出力で運転される。
【０００５】一方、燃料電池の発電性能は電池を構成するセル温度に影響され、セル温度が低いと起電力が低下し燃料効率が悪くなる。したがって、起動直後のセル温度が低いときには、高出力を得るために多量の燃料を供給しても走行に必要な高電力が得られず燃料が無駄に消費される。
【０００６】本発明は上記従来技術を考慮したものであって、ハイブリッド電動車両における燃料電池の燃料の無駄を抑えて効率よく燃料電池を駆動する電力制御方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため、本発明では、燃料電池および二次電池を電源とする電動車両の電力制御方法において、前記燃料電池のセル温度が所定温度より低いときに、該燃料電池の出力をその最大出力より低くすることを特徴とする電動車両の電力制御方法を提供する。
【０００８】この構成によれば、燃料効率が低下するセル低温時に、燃料電池の出力指令値を低くすることにより、燃料の無駄を抑えて低出力で運転し出力の足りない分は二次電池でカバーすることができるため、燃料を有効に消費して効率よくハイブリッド電源を使用することができる。
【０００９】好ましい構成例では、前記燃料電池の発電用空気ポンプを駆動制御することにより該燃料電池の出力を制御することを特徴としている。
【００１０】この構成によれば、燃料電池の起電力発生のために水素イオンと反応させる酸素供給用の空気ポンプを駆動制御することにより、酸素の供給量を制御して燃料電池の出力が制御される。
【００１１】別の好ましい構成例においては、前記燃料電池の出力側に設けたＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御することにより該燃料電池の出力を制御することを特徴としている。
【００１２】この構成によれば、燃料電池の出力側に燃料電池出力電圧を必要な電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、このＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令値を制御することにより、燃料電池の出力が制御される。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用される電動車両の電源供給装置全体のブロック構成図である。この実施形態は例えば自動二輪車の電源供給装置である。車両の後輪（不図示）に連結された車両駆動用モータ１の電源となる燃料電池（ＦＣユニット）２および二次電池３がインターフェイス（ＩＦ）を介してコントローラ４に連結される。
【００１４】燃料電池２の構成を簡単に説明すると、この燃料電池２は、アノード極に燃料となる水素を供給し、カソード極に酸化剤として空気を供給し、触媒による電気化学反応を行って発電するものである。両電極間には高分子イオン交換膜が介装される。このイオン交換膜には水素イオンの透過性を確保して円滑に移動させるため及び起電力反応に伴う発熱を冷却するために水が供給される。このような電極対を単位としてセルが構成され、複数枚のセルを組合せて各セルの起電力を合計した所定出力のＦＣユニットを形成する。
【００１５】燃料となる水素は、例えばメタノールを一次燃料としてこれを水と混合して加熱蒸発させ、改質器の触媒反応により水素と二酸化炭素に分解し、シフトコンバータや選択酸化反応器等を介して改質器で微量に発生した一酸化炭素の濃度を低下させた後、この水素ガスを燃料電池のセルのアノード電極に供給する。あるいは水素ガスをボンベから直接供給してもよい。
【００１６】発電用の空気は空気ポンプ４４によりカソード極に供給される。また、水素は水素ガスボンベあるいはメタノールタンクや改質器等からなる燃料源４５から供給される。
【００１７】燃料電池２には、ＦＣユニット内の水の凍結防止のためのヒータ６と、該ヒータ６の加熱温度均一化のため及び発電時の冷却のための冷却ファン７が備わる。ユーザスイッチ８は、例えば夜間充電モード等の運転モードの設定を行う。メインスイッチ９がＯＮにされると、これがコントローラ４内のメインスイッチ検出部１０で検出され、システム電源制御部１１を介してコントローラ電源１２およびモータコントローラ１３等の電源がＯＮとなり、コントローラ４によるシステム全体の電力供給制御が可能な状態となる。
【００１８】タイマ時間算出部１４は、夜間低温時等に燃料電池２内の水の凍結防止のために、ヒータ６あるいは燃料電池２自体を駆動するためのタイマ時間を算出し、メインスイッチ９がＯＦＦであってもシステム電源制御部１１を介して電源をＯＮにして暖気運転を行う。この暖気運転は、外気温度検出部１６およびセル温度検出部１７からの検出温度に基づいて暖気運転制御部１８が判断し、ヒータ制御部１９あるいはＦＣ出力制御部２０を介してヒータ６あるいは燃料電池２を駆動する。ヒータ６を駆動するときには温度均一化のために冷却ファン制御部２１を介して冷却ファン７も駆動する。また、燃料電池２を駆動する場合においてもセル温度に応じて冷却ファン７を駆動する。
【００１９】モータ出力計算部２２は、スロットル２３の操作によるスロットル開度信号からモータ１への供給電力を算出する。このとき二次電池保護制御部２４により二次電池の残存容量や温度に応じて、二次電池保護のために燃料電池２と二次電池３との電力分担割合に制限が加えられ、この制限値を加味してモータの制御信号がモータコントローラ１３に送られる。
【００２０】充電状態検出部２５は、二次電池３が充電状態か放電状態かを判別するとともに充電の場合には燃料電池によるものか回生電流によるものかを判別する。すなわち、二次電池３の電流センサ２６からの電流検出信号を電流検出部２７で充電方向か放電方向かを判別するとともに、モータ１の電流センサ２８により回生電流が二次電池側に流れているかを検出して充電状態を判別する。
【００２１】容量計算部２９は、二次電池３の電圧検出部３０および温度検出部３１からの検出信号および電流検出データに基づいて二次電池３の容量を計算し、これを前述の二次電池保護制御部２４に送るとともに、ＦＣ出力制御部２０に送り、二次電池容量に応じて燃料電池２の電力配分を制御する。
【００２２】ＦＣ出力制御部２０は、Ｄ／Ａ変換器３２を介して電圧指令値を空気ポンプ４４に送る。この電圧指令値は、モータ１に供給される燃料電池２からの電力を制御するものである。この場合、燃料電池の異常、例えば燃料切れやセル温度の異常等が発生した場合には、その検出データが異常データ受信部３３に送られる。この異常データはＦＣ出力制御部２０を介してＦＣ起動／停止判断部３４に送られ、ここで燃料電池２の駆動が可能かどうかを判断して燃料電池２のＯＮ／ＯＦＦ信号を送出する。
【００２３】図２は、上記構成の電動車両における本発明の電力制御方法の制御ルーチンを示す。まず、メインスイッチ９（図１）がＯＮされているかを判別する（ステップＳ１）。これはメインスイッチ検出部１０（図１）で行われる。ＯＦＦであればＯＮになるまで待機する。
【００２４】メインスイッチがＯＮであれば、燃料電池のセル温度を検出する（ステップＳ２）。続いて、このセル温度に基づいて、燃料電池（ＦＣ）の電流指令値（出力指令値）をマップを用いて演算する（ステップＳ３）。このマップは、後述の図３に示すように、セル温度が低いときにＦＣの電流指令値を低くするものである。次に、この電流指令値により、後述の図４に示すように、空気ポンプを駆動してＦＣの出力制御を行う（ステップＳ４）。この場合、電流指令値のままＦＣ出力制御部２０（図１）からＤ／Ａ変換器３２を介して空気ポンプ４４を駆動してもよいし、あるいは図１に示すように、電圧指令値に変換して空気ポンプを駆動してもよい。
【００２５】図３（Ａ）は、上記ステップＳ３で用いるマップの一例を示す。セル温度がＴ２以上では、ＦＣ電流指令値をＦＣの定格最大出力電流となるｉ１とする。セル温度がＴ１以下ではＦＣ電流指令値をｉ１より小さいｉ０とする。セル温度がＴ１とＴ２の間では温度に応じてｉ０からｉ１まで比例的に変化させる。このようなセル温度Ｔ１，Ｔ２は、図３（Ｂ）に示す燃料効率特性グラフに基づいて定められる。図示したように、温度がＴ２から下がると燃料効率が徐々に低下し、Ｔ１およびそれ以下でほぼ最小となる。この燃料効率特性の具体的数値は各燃料電池により異なり、実験等により求められる。このような燃料電池の燃料効率特性に基づいて、出力指令値マップのセル温度Ｔ１，Ｔ２および電流指令値ｉ０等が定められる。
【００２６】図４（Ａ）は、上記ステップＳ４における空気ポンプによるＦＣ電流（出力）の制御ルーチンを示す。まず目標とするＦＣ電流値（ＦＣ出力指令値Ｗｆｃ）から同図（Ｂ）のマップ１を用いて反応空気量を算出する（ステップＲ１）。続いて、同図（Ｃ）のマップ２を用いて反応空気量に対応するモータデューティを算出する（ステップＲ２）。このモータデューティに対応したデューティ比のパルス信号を出力して空気ポンプを駆動する（ステップＲ３）。これにより、ＦＣの起電力が制御され、前述のようにセル温度に基づいてＦＣの出力を制限することができる。
【００２７】図５は本発明の別の実施形態の全体構成図である。この実施形態は、燃料電池２の出力側にＤＣ／ＤＣコンバータ５を接続し、このＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力を制御することにより、ＦＣの出力制御を行うものである。すなわち、前述の図１の実施形態では、空気ポンプ４４を駆動制御することによりＦＣ出力を制御していたが、この図５の実施形態ではＤＣ／ＤＣコンバータの出力制御によりＦＣの出力制御を行うものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、出力可変型であり、出力指令信号に応じて燃料電池２からの電圧をモータ駆動に必要な電圧に変換してモータ１に電力を供給する。このＤＣ／ＤＣコンバータ５により、前述のようにセル温度に応じて燃料電池からの出力を制御することができ、これにより燃料電池を効率よく駆動させることができる。なお、図５において、ＦＣに必要な発電用空気ポンプおよび燃料源は図示省略してある。
【００２８】図６は、図５のＤＣ／ＤＣコンバータ５によるＦＣの出力制御のルーチンを示す。まず、ＦＣの電流を検出し、この検出値と目標とするＦＣ電流値（ＦＣ出力指令値Ｗｆｃ）とに基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧の指令値をＰＩ計算により以下のように算出する（ステップＴ１）。
ＤＣ／ＤＣ出力電圧＝Ｈ（ＦＣ電流検出値，目標ＦＣ電流）
＝係数１＊（目標ＦＣ電流）
＋係数２＊（目標ＦＣ電流−ＦＣ電流検出値）
＋係数３＊ｄ（目標ＦＣ電流−ＦＣ電流検出値）／ｄＴこれにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧指令値が求まる。この計算はＦＣ出力制御部２０（図５）で行われる。
【００２９】次に、このＤＣ／ＤＣコンバータ５への出力電圧指令値に対応して実際の信号電圧を計算する（ステップＴ２）。この信号電圧は、図６（Ｂ）のグラフに示すように、ＤＣ／ＤＣ出力電圧と比例関係にあり、信号電圧＝係数＊（ＤＣ／ＤＣ出力電圧）
により求まる。
【００３０】この信号電圧は、電圧指令値としてＤ／Ａ変換器３２に送られ実際の信号電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ５に出力される（ステップＴ３）。
【００３１】図７は、上記本発明に係るセル温度によるＦＣ制御方法を応用したＦＣ出力制限ルーチンのフローチャートである。この応用例は、前述のようにセル温度に基づいてＦＣ出力を制限するルーチン（ステップＰ４〜Ｐ７）と、バッテリ（二次電池）の容量に基づいてＦＣ出力を制限するルーチン（ステップＰ８〜Ｐ１４）と、バッテリの温度に基づいてＦＣの出力を制限するルーチン（ステップＰ１５〜Ｐ２２）とを有している。
【００３２】最初、メインスイッチの動作電流やタイマ信号の有無チェック等のみに必要な微弱電流が流れる小電力状態で待機している（ステップＰ１）。タイマ信号またはメインスイッチＯＮの外部信号があるかどうかを判別し（ステップＰ２）、外部信号があれば小電力状態を解除する（ステップＰ３）。ここでコントローラ４（図１、図５）による燃料電池２の制御動作が実行可能状態となる。
【００３３】まず、ＦＣのセル温度を検出し（ステップＰ４）、これを判別する（ステップＰ５）。セル温度がｔ１以上であればＦＣの出力指令値Ｗｆｃ１をＬｍａｘに設定する（ステップＰ７）。このＬｍａｘは、例えば前述の図３（Ａ）の電流指令値ｉ１に対応する指令値である。セル温度がｔ１未満であれば、ＦＣの出力指令値Ｗｆｃ１をＬｍａｘより小さいＬ１に設定する（ステップＰ６）。これにより、セル温度に基づいてＦＣの出力を制御し、セル温度が低いときの出力を抑えて効率よくＦＣを駆動することができる。なお、この例では、温度ｔ１を境に２段階（Ｌｍａｘ，Ｌ１）で出力を制御しているが、前述の図３の例と同様に、所定の温度範囲内で温度に対応して徐々に出力を変化させてもよい。
【００３４】次にバッテリ電流を検出し（ステップＰ８）、これを積算してバッテリ容量を計算する（ステップＰ９）。この場合、積算した容量データを温度や電圧の検出データを用いて補正することにより、容量計算値の精度を高めることができる。このバッテリ容量が最大容量の何％かを計算し、これがＣ１〜Ｃ２％の範囲内かどうかを判別する（ステップＰ１０）。このＣ１〜Ｃ２％は、バッテリの充放電を行うのに適正な容量であり、Ｃ１％以下での放電およびＣ２％以上での充電はバッテリ劣化の要因となる。
【００３５】容量がＣ１％以下の場合、すなわち放電が好ましくない場合に、ＦＣが現在動作しているかどうかを判別する（ステップＰ１１）。ＦＣがＯＦＦ（バッテリは放電）であればステップＰ１３に進む。ステップＰ１３では、ＦＣが現在ＯＦＦである場合に、これを再起動してＯＮにする。二次電池（バッテリ）を充電するためである。
【００３６】二次電池の容量がＣ２％以上である場合、すなわち充電が好ましくない場合には、ＦＣをＯＦＦにしてこれ以上充電されないようにする（ステップＰ１２）。
【００３７】二次電池の容量がＣ１〜Ｃ２％の範囲、すなわち充放電に適正な範囲内の場合には、ＦＣの出力指令値（電流指令値）Ｗｆｃ２を計算する（ステップＰ１４）。この計算は後述の図８のグラフに示すマップ演算により行われる。この出力指令値Ｗｆｃ２は、バッテリ容量が所定の適正範囲内で充放電を行わせるための出力指令値である。
【００３８】次に、バッテリ温度に基づくＦＣ出力制限のルーチンを行う。まず、モータの電流およびバッテリの温度を検出する（ステップＰ１５，Ｐ１６）。この検出データに基づき、まずステップＰ１７でバッテリ温度が充電に適正な所定の温度範囲内かどうかを判別する。特に充電時のバッテリ温度が特性劣化に影響するからである。適正な温度範囲内（Ｑ１〜Ｑ２℃）であれば、前述のセル温度によるＦＣ出力制限のフローでのステップＰ６またはＰ７で求めた出力指令値Ｗｆｃ１をバッテリ温度によるＦＣ制限の出力指令値Ｗｆｃ３とする（ステップＰ２１）。
【００３９】バッテリ温度が充電に適正な所定の温度範囲外の場合、バッテリに電流が流れているかを判別するとともに流れていれば充電方向か放電方向かを判別する（ステップＰ１８）。放電状態であれば、温度条件は問題ないので前述の出力指令値Ｗｆｃ１をバッテリ温度による出力指令値Ｗｆｃ３とする（ステップＰ２１）。
【００４０】ステップＰ１８でバッテリが充電状態の場合、ＦＣからの電流で充電されているか又はモータ１からの回生電流によるものかを前述のモータ電流検出データ（またはＦＣ電流検出データ）から判別する（ステップＰ１９）。ＦＣ電流が流れてなく回生電流による充電の場合には、ＦＣからの充電作用は行われてない状態であり、この場合にはＦＣの出力指令値Ｗｆｃ３は前述のＷｆｃ１とする（ステップＰ２１）。
【００４１】ＦＣからバッテリ充電電流が流れている場合には、この充電の電流がゼロになるようにＦＣ電流指令値Ｗｆｃ３を計算する（ステップＰ２０）。このバッテリ温度に基づいてＦＣ出力に制限を加えるための出力指令値（電流指令値）Ｗｆｃ３は、バッテリ電流検出値と，目標とするバッテリ電流値とを関数として、ＰＩ計算により求める。このＰＩ計算の基本式は以下のとおりである。
Ｗｆｃ３＝Ｇ（バッテリ電流検出値，目標バッテリ電流）
＝係数１＊（目標バッテリ電流）
＋係数２＊（目標バッテリ電流−バッテリ電流検出値）
＋係数３＊ｄ（目標バッテリ電流−バッテリ電流検出値）／ｄＴこのようにして求めた電流指令値Ｗｆｃ３は、バッテリの温度条件に基づいてＦＣ出力に制限を加えた指令値である。
【００４２】次に、ステップＰ２２において、セル温度に基づいてＦＣ出力に制限を加えた出力指令値Ｗｆｃ１と、バッテリ容量に基づいてＦＣ出力に制限を加えた出力指令値Ｗｆｃ２と、バッテリ温度に基づいてＦＣ出力に制限を加えた出力指令値Ｗｆｃ３のうち最小の指令値を最終的なＦＣ出力指令値Ｗｆｃとする。このように最小指令値ＷｆｃでＦＣを駆動することにより、セル温度に基づき最適効率でＦＣを駆動するとともにバッテリの温度および容量によるいずれの条件においても適正範囲で充放電を行ってバッテリの劣化を抑制することができる。
【００４３】このようにして求めたＦＣ出力指令値Ｗｆｃにより、前述のように、空気ポンプまたはＤＣ／ＤＣコンバータを駆動してＦＣの出力制御を行う。この場合、電流指令値によりＦＣ出力制御部２０（図１、図５）からＤ／Ａ変換器３２を介して空気ポンプ４４またはＤＣ／ＤＣコンバータを駆動してもよいし、あるいは図１および図５に示すように、電圧指令値に変換して駆動してもよい。
【００４４】以上で１回の制御サイクルが終了し、メインスイッチがＯＮ状態であれば前述のステップＰ４からＰ２２までを繰返し、メインスイッチがＯＦＦになればステップＰ１の小電力状態で待機する（ステップＰ２３）。
【００４５】図８は上記ステップＰ１４におけるＷｃｆ２の演算処理の説明図であり、（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ別の実施例の充放電動作を示す。
【００４６】図８（Ａ）の方法は、バッテリ容量がＣ１〜Ｃ２％の範囲内で、ＦＣの出力指令値（電流指令値）Ｗｆｃ２をＯＮまたはＯＦＦのいずれか一方にするものである。すなわち、Ｃ２％以下の領域ではラインＡ１で示すように、電流指令値は例えば最大定格出力に対応する一定電流値ｉ１としてバッテリを充電する。バッテリ容量がＣ２％に達したら、ラインＡ２で示すように、ＦＣをＯＦＦにして充電を停止する。この後はバッテリの放電によりモータ１（図１、図５）を駆動する。これによりラインＡ３で示すように、容量が低下する。容量がＣ１％まで低下したらラインＡ４で示すように、ＦＣを起動して電流指令値ｗｆｃ２を前述の一定値ｉ１にしてバッテリを充電する。Ｃ１％以下ではＦＣをＯＮにしてバッテリに充電することにより放電を防止し、Ｃ２％以上ではＦＣをＯＦＦにしてバッテリへの充電を防止する。このようにＣ１〜Ｃ２％の範囲内でＦＣのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、適正な容量範囲内での充放電が行われバッテリ劣化が抑制される。
【００４７】なお、ＦＣをＯＦＦにして充電を停止する方法に代えて、ＦＣからバッテリに充電電流が流れないように電流停止回路を形成してもよい。
【００４８】図８（Ｂ）の方法は、容量がＣ１〜Ｃ２％の範囲内で、ＦＣ出力指令値（電流指令値）Ｗｆｃ２を容量に応じて変化させる。この例では、ラインＢ２で示すように、容量に比例して指令値を減少させている。前記（Ａ）と同様に、Ｃ１％以下ではラインＢ１で示すように、電流指令値はｉ１であってバッテリを充電し、Ｃ２％以上ではＦＣをＯＦＦにして充電を防止する。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、燃料効率が低下するセル低温時に、燃料電池の出力指令値を低くすることにより、燃料の無駄を抑えて低出力で運転し出力の足りない分は二次電池でカバーすることができるため、燃料を有効に消費して効率よくハイブリッド電源を使用することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００１００７６
【氏名又は名称】ヤマハ発動機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年７月１７日（２０００．７．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１００２８４
【弁理士】
【氏名又は名称】荒井 潤
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| 【公開番号】 |
特開２００２−３４１０３（Ｐ２００２−３４１０３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１月３１日（２００２．１．３１） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２１６５０３（Ｐ２０００−２１６５０３） |
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